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汪卫章 葛宁
清华大学电子工程系
新一代多业务SDH介绍
随着IP数据、话音、图像等多种业务传送需求的不断增长，业务的传送环境发生了很大变化。同时，作为电路传输网的SDH ,其功能也在随业务传送需求作出调整，SDH传输网的技术与数据网相结合，将传送节点与多种业务节点融合在一起，构成融合度较高、业务层和传送层一体化的下一代网络节点，称为多业务SDH平台(Multi-Service Transport Platform), 简称MSTP。例如将交换机、边缘路由器、ADM/DXC、光传送节点集成为一个物理实体，进行统一管理和控制，大大简化了网络体系结构，减少了设备安装开通时间和业务提供时间，降低了节点设备的成本，提高了系统的可靠性。这种多业务节点设备主要用于网络的边缘，也可用于网络的核心部分，具有较大的应用灵活性。新的多业务SDH平台在帧结构与光接口上仍然采用SDH的标准，与现存的大量SDH设备可以互联互通。SDH是广大运营商和系统集成商所熟悉的，容易被接受与信任，不仅保护了原有的设备投资，而且维护方式与环境也有很好的继承性。在此基础上，增加了宽带数据业务接口，改造了SDH内部的交换方式，在网管上扩展了数据业务接入的功能，使得SDH成为承载多种业务的传送平台。
MSTP在传输数据业务时利用SDH的容器，将不同的数据业务映射到合适的VC或者是VC级联容器上进行传送。设备在电路交换之外，增加2层、2.5层或3层的数据交换能力，使得设备具备了电路交换与、数据交换两种能力。在网络管理上为了将传送功能与业务接入功能集成，除了原有的SDH标准网络监视、维护功能外，添加了针对接入设备如PCM、多媒体终端等的监控功能或接口，使得多业务平台具有很好的管理能力。
新一代的SDH多业务平台具有以下几个鲜明的特点，第一，多业务传输集成，简化了节点结构，节省了设备占地、互联等费用。特别地，由于是一体化设备，管理维护非常方便，由于接口减少，业务提供与修改大大简化，可以节省大量的运营维护与培训费用。第二，网络管理能力，由于SDH多业务平台在网管上添加接入设备的监控，具有很好的扩展性。与其他接入设备如PCM、多媒体终端、数据终端等可以有机地结合在一起，构成功能更加强大的综合接入平台，满足用户不同的需求。第三，数据业务传输能力，SDH多业务平台直接提供宽带数据接口，如以太网，避免了复杂适配和协议转换，节省成本并提高了可靠度。由于是直接映射到VC容器，而不是通过E1、E3等标准速率，提高了适配效率。
MSTP中的数据传送
MSTP即新一代的SDH中最大的一个特点就是它支持多业务，做到了业务融合。为了有效地支持用户业务，MSTP引入了新的技术特点。传统的SDH设备没有数据业务接入功能。有一些传统的SDH设备增加了数据接口，也是通过适配到E1、E3等电路形式提供的。数据业务经过多级适配效率低下。多业务平台SDH直接将数据业务映射至SDH容器，减少了中间的协议速率适配，提高了带宽利用率。
拟议中的MSTP标准给出了多业务SDH节点的基本功能模型，如图1所示。在以太网业务的接入方式上，根据是否实现了图中的可选功能，存在着两种不同设备，一种只提供点到点适配，我们简称为MSTP-PP，另一种则提供综合交换功能，简称为MSTP-IS。需要指出，仅仅将数据业务映射至SDH容器或级连容器，而不提供数据包交换能力的MSTP设备，虽然与通过E1、E3等接口适配相比，结构形式有所简化，带宽利用率和灵活性也有所提高，但是在本质上仍然只提供点到点的数据通道，并不能够充分利用数据业务的突发性特点，真正以统计复用的方式共享传输带宽；而在端口数量和数据网络的拓扑结构上，则与通过接口适配方式相比并无任何改进。我们在下一节中对两种不同功能的节点作出详细比较。
图 1 多业务SDH节点的基本功能模型（*为可选功能）
通常，以太网帧通过LAPS的适配进入SDH的容器，然后通过SDH与其他业务一起在光纤上传送。LAPS协议是HDLC的另一种类型。它以字节流的形式传送，以0x7e作为帧的开始与结束。由于0x7e被作为了特殊用途，所以对于数据负荷中的字节(0x7e),(0x7d)将其分别转义变换为双字节(0x7d,0x5e),(0x7d,0x5d)以保证数据传输的正确性。LAPS在HDLC的基础上还增加了地址与控制字节。HDLC作为广泛使用的数据链路层协议，它的优点是定界简单，只要查找0x7e字节就可以。但是，它也存在着一些问题。由于它的定界过于简单，只是通过0x7e一个字节就决定了，当传输出现误码时很容易造成虚假定界符0x7e，从而产生一串突发误码，造成帧尾CRC无法检测出错误，产生错帧。这样严重的后果甚至只需要单比特误码就可能发生。因此，它的可靠性不高。另一方面，HDLC采用了转义符，造成带宽增加。平均而言，大约增加1％。虽然不多，但是由于它是根据所传送的负荷数据进行转义的，所以它的带宽增加是随机的，无法控制，在最坏情况下带宽增加可以达到100%。这对于稳定传输显然会造成影响。另外，由于它的随机性，不利于高速数据包的处理。最近发展起来的通用定帧法，即Generic Framing Procedure（GFP），则是一种更为有效的适配协议，具有易于高速处理，效率高，误码扩展小，无随机带宽代价等特点。采用GFP适配协议的MSTP比传统的基于LAPS协议的系统具有更好的性能。关于GFP，我们将另文介绍。
MSTP-PP与MSTP-IS的比较
SDH最大的竞争力在于它已经大量铺设，能够很直接并迅速地为运营商提供卓越的5个9的(99.999%)服务可用性和端到端的良好的管理特性。不幸的是，传统的SDH解决方案不能很好地适应现代包交换系统的灵活性和有效性。运营商不得不使用基于TDM的解决方案来满足数据业务的需要，这对运营商的业务发展模式造成了严重的制约。并且这种严格的，基于电路的架构不能提供简单灵活和可扩展的服务。
前面介绍的LAPS与GFP解决了SDH传送数据包的问题，但是它们是一个点到点的协议，使得PoS的网络功能只能通过IP层的路由完成，而PoS仅仅提供了一个传输管道的作用。目前运营商已经建设的采用SDH来承载数据业务的网络通常是通过PoS将数据包映射到SDH的VC内，该方式实际上是在使用基于传输设备的一种点到点的“专线”，要求预先确定带宽，大多数业务量以E1、E3、STM-1/4的粒度以专用“管道”形式进入网络，这种状况是从传统时分复用（TDM）系统中继承的，因此带宽利用效率低。很多研究表明专线的平均利用率不超过50％，由于业务量的快速增加，光纤路由必定会被耗尽。因此，在城域网中选择这种方式就意味着选择不断进行昂贵的扩容。不仅如此，如果SDH仅仅提供点对点专线，则局端数据业务端口数目与用户数相同，占有不少资源，不便于管理，很难灵活调度。
综合交换能力就是在SDH多业务平台上不仅提供电路交叉连接能力，而且提供实用的数据复用与交换能力。在这一点上SDH不再是简单地为数据包提供一个标准TDM通道，而是将各数据包流从网络应用角度处理后再送入SDH通道。将整个城域网处理成一个或多个受控的“分布式PoS交换结构”，则能够大大提高SDH承载数据业务的效率，降低网络建设的成本，提高SDH的承载能力与灵活性等，是一种包和SDH体制相融合的概念。
综合交换能力是SDH多业务平台的一项重要指标。在历史上，传送网只涉及客户层信号的传送、复用等，通常不含交换，只具备较低的智能。SDH多业务平台是传送与业务的融合，引入交换的概念不仅是十几年来SDH传送网概念的重大历史突破，也是SDH传送网技术的一次重大突破，它使得SDH具备了自动选路和更高的智能。
下面以一个双纤单向环形网来计算MSTP-IS对于MSTP-PP的带宽的统计增益，网络拓朴如图二所示，由N个节点组成的环状网，第一种配置由N个MSTP-PP节点和一个以太网交换机构建，数据交换由以太网交换机完成。以太网交换机与节点0相连，1至N-1号的每个节点各自通过VC12级联的双向通路与0号节点的以太网交换机相连，假设所有VC12的速率总和为M。在整个网络中，共有N-1条点到点通道。第二种配置由N个MSTP-IS节点构建，交换由MSTP-IS节点完成，在环状光纤中配置一条速率为M的VC3或VC3级联用于传输以太网包。
图 2 N个节点的二纤单向复用段保护环
假设当业务需求均匀分布，指每个节点到其它所有节点的数据流的速率是相同的，以及所有节点产生的数据流速率是相同的，共N*(N-1)个业务流。可以计算出在两种配置中，每个业务流的均匀业务量与及最大业务量（其它节点处于空闲时的业务量）如表一所示
表 1 两种MSTP的可利用带宽比较
从表一看出，MSTP-IS由于有统计复用功能，在业务量均匀分布时可利用带宽有2(N-1)/N的复用增益，而最大可利用带宽有N-1倍的增益，带宽复用增益随着节点数的增大而增大。
图三列出了当各业务流共享一条155M的双纤单向环形网时, 各业务流在均匀分布时的可利用带宽及最大可利用带宽与节点数的关系。
图3 155M环网各流在均匀分布时的可利用带宽及最大可利用带宽与节点数的关系
综合各种因素，MSTP-IS与MSTP-PP比较，有下述几个特点：
第一、统计复用光纤带宽，能提高链路利用率。
第二、能使用逻辑上的环形网络拓朴结构。MSTP-PP在逻辑结构上仍然是一个星形结构，而MSTP-IS在上例中为环形结构，由环形结构拓朴可知当业务非均匀分布，特别是有双向环路存在时，能提高传送效率。
第三、在每个节点上均有交换和适配功能，而MSTP-PP只有适配功能。分布交换功能的引入必然增加设备的复杂度和单位成本，但从总的成本来看，假设MSTP-IS中交换和适配功能在一块电路板上实现，MSTO-PP适配功能在一块板上实现，则例子中的网络中，MSTP-PP需要2（N-1）块适配板和一块以太网交换功能电路，而MSTP-IS中则只需N块交换适配一体化的电路板，当节点数较多时，采用MSTP-IS的总成本将低于采用MSTP-PP的系统。
第四、MSTP-IS中的数据网络管理比MSTP-PP复杂，主要增加了数据路由的配置，但这种复杂度也能使我们在网络路由上对网络资源进行合理分配，进一步提高资源利用率。
基于MPLS的MSTP-IS实现
MSTP-IS实现包交换有多种选择。在技术上，有2层、2.5层和3层几种交换技术。对于以太网业务，如果采用2层交换，面临一些问题。2层交换相当于利用PoS点到点的专线管道将各个节点内置的以太网交换机连接起来，虽然从技术上它是最简单成熟的，也确有一些厂商采用，但是由于以太网协议对广域网支持不够，特别是SDH的标准环形结构，以太网只能采用生成树协议解决，该协议收敛速度慢，无法适应保护等要求。利用生成树协议，网络结构被强制变为一棵树，带宽利用率不高，对于广域网不合适。3层交换采用路由协议，虽然功能强大，但是配置繁琐，对以太网业务也不能做到完全透明，不少在局域网上的应用受到限制。一般的路由协议往往采用最短路径算法，不具备业务流工程(Traffic Engineering)，无法将业务导引到空闲的带宽上。
如前所述，现有的PoS结构只能支持点到点的应用，而网络应用只能依靠IP层的路由，由于IP地址较长，查找速度较慢，并且占用系统资源较多。如果每个节点都要查找路由，就会影响整个网络的性能。IP网络的发展希望其能够支持话音，图像等有延时、带宽等QoS要求的业务，而现有的PoS结构没有提供这些性能。数据网需要接入的协议多种多样，如以太网和IP，应该把这些协议进行统一封装，以便处理。电信网对VPN和VLAN等虚拟专用型的网络提出了要求，仅仅靠传统的PoS协议是无法做到的。
为了解决这些问题，1997年IETF提出了多协议标记交换（MPLS）技术。MPLS是由Cisco提交由IETF MPLS工作组研制的标准协议，它将第三层技术（如IP路由）与第二层技术（如ATM，FR）有机地结合起来，构成所谓的2.5层交换，使得在同一个网络上允许各种消息传递，既能提供点到点传输，也可以提供多点投递；既能提供尽力而为的传送，又能提供有很高QoS要求的实时交换服务。MPLS宽带互连网络信息传输交换技术已被当前网络界认为是未来网络发展的趋势，是多种网络技术的最终融合点。众多通信和计算机厂商（如IBM，Cisco，Nortel，Lucent，Alcatel，Ericsson）都在密切关注MPLS的标准化进程，并积极参与讨论标准的制定。MPLS使用标签对上层数据进行统一封装。MPLS的实质是将路由器移到网络的边缘，将快速、简单的交换机置于网络中心，对一个连接请求实现一次路由、多次交换，由此提高网络的性能。利用标签，可以实现用SDH承载不同类型的数据包。显然，通过MPLS技术实现2.5层数据交换可以使MSTP-IS具有许多性能上的优势。
在MPLS实现中，在LDP协议控制下，LSR根据IP路由技术产生具有一定语义的代表数据传输路径及属性的标签，转发基于标签，入口压入标签，出口剥去标签，分组QoS、CoS等分析只在入口做一次，中间节点只分析标签的含义。由于MPLS在网络中的转发是基于标签，简化了转发机制，使得路由器很容易扩展；充分利用原有的IP路由以及其它路由；MPLS网络的数据传输和路由计算分开，是一种面向连接的传输技术，能够提供有效的QoS保证； MPLS支持大规模层次化的网络拓扑结构，具有良好的网络扩展性；MPLS的标签合并机制支持不同数据流的合并传输；MPLS支持流量工程、QoS和虚拟专用网。
MPLS应用于MSTP-IS实现时，为了进一步简化边缘网络设备，标签路由的计算可以基于以太网拓朴，而非IP路由，从而避免了IP路由协议的实现。这给MSTP设备带来几个优点：（1）大大减少了设备复杂度，不用实现复杂的IP路由协议；（2）由于基于以太网网络在MSTP中的分布和MSTP的网络拓朴，可以从整体上优化以太网数据在MSTP中的传输效率；（3）还可以把整个MSTP-IS系统映射成一个分布的以太网交换机，从而避免了大量路由设备的存在。（4）由于以太网在MSTP-IS中传输基于标签，避免了以太网生成树协议不支持多路径的缺点，可以根据各种需求最优的配置网络拓朴，从而达到网络资源的最优化。
MSTP-IS与RPR的比较
光以太网RPR综合了以太网和SDH的优点，它定义了一个独立的物理层——弹性分组环媒介访问控制层，它提供了一个双环结构，在环上传送反方向的信号，并提供保护，它解决城域网中大量使用的环技术中的多业务传输问题，而以太网解决了点到点传输的问题。
弹性分组环（RPR）在城域网和广域网中提出一个新的媒介访问控制层，以延伸现在广泛采用的以太网。它在终端用户服务方面和以太网协议兼容，RPR补充终端用户以太网业务，它提供一个有效的传输协议，使多位用户的以太网原始数据在城域网上传输。RPR标准提供：空间重用，允许多个信息在环上同时发送；当环或节点失效时，高速度的网络恢复（小于50ms）。统计复用有效地利用光纤带宽，动态地分配带宽。
与MSTP-IS相比，RPR主要是基于一个环的传输技术，它对网络资源的优化也是在一个环的内部，而不是从整个网络结构出发。在城域网中，特别是在边缘，网络结构极其复杂，多种网络拓朴结构并存，在这种应用环境中，应用RPR技术只能从局部对网络资源优化，而MSTP-IS可以从整个城域网网络结构上进行资源的优化，完成最佳的统计复用。
从整个城域网的设备构成复杂性上来比较，RPR设备在环与环之间相连接时，不可避免的要引入第三层路由设备，而从上一节我们知道，当MPLS在MSTP-IS中应用时，我们可以在整个城域网上避免第三层路由设备的引入。
从保护恢复来看，RPR能提高更高的网络恢复速度，而MSTP-IS中的保护主要基于MPLS，也能提供网络恢复功能。
一种新的MSTP-IS实例
SDH多业务平台(MSTP)在一些大型通信设备制造商中已初步研制成功，如朗讯、烽火、华为、中兴等。北京清华华环电子股份有限公司作为一家依托清华大学先进技术的高科技公司，采用GFP与MPLS等先进技术，研制出具备自身特色的MSTP-IS设备――长青藤，并得到了实际应用。下面就是一个MSTP的应用实例。该网络拓扑结构如图 4所示，由12个节点构成。整个网络由SDH多业务平台MSTP设备组成。每个节点之间现在由STM-1光连接，将来可以通过简单替换光接口板升级至STM-4。每个节点配置4-16个E1，同时配置PCM设备可以接入语音及低速数据等综合业务，由MSTP设备统一网管。对于宽带数据接口，MSTP提供以太网业务，可以灵活简单支持各种局域网的应用。这种方式如果采用传统的SDH设备，宽带数据需要通过专线传递到中心站进行交换，那么假设每个站占据4个VC12, 12个节点就需要48个VC12，占据了STM-1所有63个VC12容量的76％。剩下的容量很难满足用户需要。即便如此，每个节点的最高速率不到10M，而且中心站需要配置11个以太网接口，十分复杂。具备综合交换能力的MSTP设备――长青藤，利用VC3的宽带通道，将各个节点的宽带数据业务统计复用，为每个节点提供了峰值达到50M的通道，占有的网络资源却只有33％，大大提高了带宽利用率。同时数据包的交换也是分布进行的，没有中心站的约束，中心站只需要一个以太网接口。整个网络可以看作一个以太网交换机，网络中任意两点之间可以交换数据，方便了网络应用，提高了可靠度。
图 4 网络拓扑
针对数据交换功能，我们设计了两种规模的集交换功能，接入功能，适配功能为一体的集成电路，一种是数据ADM芯片，有两个SDH接口（VC3或VC4），一个百兆以太网接口。另一种是数据DXC芯片，有8个SDH接口和一个百兆以太网接口。
SDH的传输速率等级为STM-1（155Mbit/s）、STM-4（622Mbit/s）、STM-16（2.5Gbit/s）、STM-64（10Gbit/s）。以太网的传输速率等级为10M、100M，1G、10G。针对于SDH和以太网的速率等级不匹配的情况，我们设计了一种端口速率可变的共享存储器交换结构，只要交换结构中的存储器带宽略大于各输入输出端口速率之和，就能保证各端口的线速运行，可用于交换各种速率等级的数据，如[1]所述。
在以太网接口中，我们根据实际需求，实现了基于以太网地址的优先级分配，基于端口的带宽分配，以及和MPLS协议相结合的以太网地址学习方法，来避免现有的以太网生成树协议不支持环路的缺点。
小结
电信网IP化的趋势对我们来说既是机遇又是挑战。我们必须从技术上对这个转变做好充分的准备，开发出适合我国国情的自主知识产权的信息网络产品，紧紧跟上世界发达国家网络建设的步伐，才能更好地发展我国的信息产业。SDH多业务平台MSTP设备是新一代SDH传送与业务接入相融合的设备。它继承了SDH互通性好、可靠度高等特点，维护了原有的网络投资和结构。同时拓展的业务接入使得其具备了宽带业务接入和交换的基本智能，给运营者提供了更好更有效的解决方案。
欢迎在10月29号——11月2号莅临2002年中国国际通信设备技术展览会，清华华环展位号——2BD2。
由CHINA通信网组稿
